CN103776531B - 近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置，属光学计量技术领域。该装置包括用于标定光栅光谱仪的光源组件，含有阵列光纤束的光纤组件，装有光谱辐亮度校准数据处理软件包的计算机，含有平场凹面光栅和面阵EMCCD的光栅光谱仪；阵列光纤束的输入端为单根光纤，输出端含有n根按一字排列的光纤；被测脉冲光源发出的脉冲光束经光纤组件、狭缝后被平场凹面光栅色散，色散光聚焦到面阵EMCCD的光敏面上而形成n行线光谱，计算机采集n行线光谱并根据光谱辐亮度计算公式获得被测脉冲光源随波长变化的光谱辐亮度值，并在计算机屏幕上显示单幅或多幅光谱辐亮度曲线。本发明解决了近红外微弱脉冲光源的光谱辐亮度的校准难题，具有广阔的应用前景。

Description

近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置

技术领域

本发明属于光学计量技术领域，主要涉及一种光源光谱辐亮度校准装置，尤其涉及一种近红外微弱脉冲光源的光谱辐亮度校准装置。

背景技术

近年来，近红外脉冲光源广泛应用于军用侦察和制导等领域，近红外脉冲光源包括脉冲氙灯、半导体脉冲激光器等，为目标探测提供主动照射光，目标的反射光包含了近红外波段0.9μm～1.1μm的特征光谱，被军用侦察或制导设备接收和处理，实现目标识别。为保证侦察和制导设备具有更好的反侦察能力，要求近红外脉冲光源辐亮度越来越弱，低于10^-6W/cm²·sr·nm量级。因此,在近红外脉冲光源的研制、生产和应用过程中，需要对脉冲光源的弱光光谱辐亮度参数进行校准，分析在其脉冲宽度内光谱辐亮度随时间的变化，为使用脉冲微弱光源的侦察设备提供光谱辐亮度量值计量保障。

目前,传统的近红外脉冲光源波长、辐亮度校准装置适用于10^-5W/cm²·sr·nm量级以上的强光光源光谱辐亮度校准。国内西安应用光学研究所研制的瞬态光谱辐射量标准装置，其核心部件近红外光谱仪采用线阵CCD探测器。该探测器由512列像元排列成一行，按像元排列顺序依次输出所测光源的波长值，可测量高于10^-5W/cm²·sr·nm量级脉冲光源的光谱辐亮度。英国AndorTechnology公司型号为SR500i-B1的近红外光谱仪,采用光纤入射,平面闪耀光栅色散后，在EMCCD上聚焦为单行线光谱。在该仪器中，由于EMCCD探测器工作在制冷条件下，相比于采用非制冷的线阵CCD探测器的光谱仪，其光谱测试灵敏度较高；但是该仪器需配备准直反射镜和聚焦反射镜等光学***，造成不必要的能量损失。此外，该仪器可测试得到近红外波段范围0.9μm～1.1μm的相对光谱辐射测量曲线，未见给出该近红外波段的绝对光谱辐亮度的报道。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的不足，提供一种近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置。

为解决上述技术问题，本发明提供的近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置包括光源组件，光纤组件，光栅光谱仪，装有光谱辐亮度校准数据处理软件包的计算机。所述光栅光谱仪含有滤光片、狭缝、平场凹面光栅、面阵EMCCD；所述光源组件包含一维移动平台，用于标定光栅光谱仪的高温黑体、白光光源、高压汞灯和脉冲开关，高温黑体、白光光源和高压汞灯一字排列安装在一维移动平台上且三者的发光面均位于同一个平面即标定面；标定时，推动一维移动平台使高温黑体、白光光源、高压汞灯的发光面的中心逐个对准脉冲开关的中心，脉冲开关的中心与所述耦合透镜的中心正对；

所述耦合透镜为凸透镜，所述阵列光纤束的输入端为单根光纤，输出端含有n根按一字排列的光纤,n≥10，n的取值取决于所述狭缝的长度；耦合透镜通过光纤连接器与阵列光纤束的输入端相连；阵列光纤束和狭缝长度相同且平行正对，平场凹面光栅的刻线方向与阵列光纤束和狭缝的长度方向平行，同时与面阵EMCCD的宽度方向一致；

当对被测脉冲光源校准时，将被测脉冲光源放置在一维移动平台上，其发光面与所述标定面重合且发光面的中心对准耦合透镜的中心；被测脉冲光源发出的脉冲光束经耦合透镜耦合到阵列光纤束的输入端，由阵列光纤束输出端出射的一列光束照射到滤光片上，经滤光后到达狭缝，由狭缝出射的光束入射到平场凹面光栅上；光束经平场凹面光栅色散后聚焦到面阵EMCCD的光敏面上并形成n行线光谱，面阵EMCCD将接收到的线光谱信号转换为电信号后送入计算机；

计算机带有存储器和数据采集卡且内置有光谱辐亮度校准数据处理软件包，存储器存有波长标定数据库、光谱辐亮度修正系数数据库、光谱辐亮度标定数据库和校准过程中所用的已知参数：其中，波长标定数据库为通过高压汞灯获得的面阵EMCCD像元列j所对应的波长λ_j数据表；光谱辐亮度修正系数数据库为通过高温黑体获得的面阵EMCCD像元列j所对应的光谱辐亮度修正系数K(λ_j)数据表，光谱辐亮度标定数据库为通过白光光源获得的面阵EMCCD像元列j所对应的标准光谱辐亮度L_CC(λ_j)数据表；

光谱辐亮度校准数据处理软件包包括菜单模块、采集模块、计算模块：

所述菜单模块的功能是在显示器上显示一组功能按钮、光谱采集选择菜单、参数设置栏和显示窗口；功能按钮包括背景测试按钮、脉冲光源测试按钮、计算按钮；光谱采集选择菜单包括单光谱采集和多光谱采集两个选项；参数设置栏用于输入被测脉冲光源的脉宽参数τ，显示窗口用于显示背景电压测试曲线、被测脉冲光源的电压测试曲线以及光谱辐亮度曲线；

所述采集模块的功能是，在单光谱采集选项下,当接收到背景测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD一个积分周期输出的随像元列j变化的背景测试信号V_Bi(j)，调用波长标定数据库将背景测试信号V_Bi(j)转换为随波长λ_j变化的背景电压测试信号V_Bi(λ_j)，并在菜单模块的显示窗口中显示随波长λ_j变化的背景电压测试曲线；当接收到脉冲光源测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD一个积分周期输出的随像元列j变化的脉冲光源测试信号V_Ci(j)，并调用波长标定数据库将脉冲光源测试信号V_Ci(j)转换为随波长λ_j变化的脉冲光源测试信号V_Ci(λ_j)，并在菜单模块的显示窗口中显示随波长λ_j变化的脉冲光源电压测试曲线；其中：i＝1、2、.……、n,i表示面阵EMCCD中成像区域的像元行数,n取决于阵列光纤束2-2输出的光纤数量，即各行成像与阵列光纤束中各光纤的输出光束一一对应；j表示面阵EMCCD中成像区域的像元列数,j＝1、2、.……、J,J取决于光束经平场凹面光栅色散后聚焦在面阵EMCCD光敏面上的线光谱宽度以及面阵EMCCD的像元尺寸，λ_j表示与像元列j所对应的波长值；在多光谱采集选项下，当接收到背景测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD在τ时间段内输出的M个随像元列j变化的背景测试信号V_Bim(j)，调用波长标定数据库将背景测试信号V_Bim(j)转换为随波长λ_j变化的背景测试信号V_Bim(λ_j)，并在菜单模块的显示窗口中逐条显示随波长λ_j变化的背景电压测试曲线；当接收到脉冲光源测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD在τ时间段内输出的M个随像元列j变化的脉冲光源测试信号V_Cim(j)，并调用波长标定数据库将脉冲光源测试信号V_Cim(j)转换为随波长λ_j变化的脉冲光源测试信号V_Cim(λ_j)，并在菜单模块的显示窗口中逐条显示随波长λ_j变化的脉冲光源电压测试曲线；其中：m＝1、2、……….M,m为面阵EMCCD的积分周期数，M＝τ/T，T为面阵EMCCD的积分周期；

计算模块功能是：在单光谱采集选项下,当接收到计算按钮指令时，调用光谱辐亮度修正系数数据库和光谱辐亮度标定数据库，根据以下一组公式计算被测脉冲光源的光谱辐亮度值L(λ_j)，并在菜单模块的显示窗口中显示被测脉冲光源随波长变化的光谱辐亮度曲线：

L(λ_j)＝k₀·K(λ_j)·[V_C(λ_j)-V_B(λ_j)]

$V_B\left({\mathrm{\λ}}_j\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{Bi}}\left({\mathrm{\λ}}_j\right)$

$V_C\left({\mathrm{\λ}}_j\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{Ci}}\left({\mathrm{\λ}}_j\right)$

k₀＝L_CC(λ_j)/L_CC0(λ_j)

K(λ_j)＝L_CBB(λ_j)/[V_CBB(λ_j)-V_B(λ_j)]

L_CC(λ_j)＝K(λ_j)·[V_CC(λ_j)-V_B(λ_j)]

式中，j＝1、2、.……、J，L_CBB(λ_j)是高温黑体在2856K色温下的理论光谱辐亮度值，L_CC(λ_j)为白光光源的标准光谱辐亮度值，L_CC0为白光光源出厂时的光谱辐亮度值，V_CBB(λ_j)是高温黑体在2856K色温下的测试电压值，V_CC(λ_j)是白光光源的测试电压值，上述五个参数均为已知值；在多光谱采集选项下,当接收到计算按钮指令时，调用光谱辐亮度修正系数数据库、光谱辐亮度标定数据库，反复根据以下一组公式计算被测脉冲光源从第一周期数至第M周期数的光谱辐亮度值L_m(λ_j)，并在菜单模块的显示窗口中按周期数的顺序逐条显示被测脉冲光源随波长变化的光谱辐亮度曲线；

L_m(λ_j)＝k₀·K(λ_j)·[V_Cm(λ_j)-V_Bm(λ_j)]

$V_{\mathrm{Cm}}\left({\mathrm{\λ}}_j\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{Cm}}\left({\mathrm{\λ}}_j\right)$

$V_{\mathrm{Bm}}\left({\mathrm{\λ}}_j\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{Bim}}\left({\mathrm{\λ}}_j\right)$

k₀＝L_CC(λ_j)/L_CC0(λ_j)

K(λ_j)＝L_CBB(λ_j)/[V_CBB(λ_j)-V_B(λ_j)]

L_CC(λ_j)＝K(λ_j)·[V_CC(λ_j)-V_B(λ_j)]

采用上述一组公式的计算过程为：在m＝1时，将j＝1、2、.……、J时的λ_j代入上述公式获得第一个光谱辐亮度值L₁(λ_j)，在m＝2时，将j＝1、2、.……、J时的λ_j代入上述公式获得第二个光谱辐亮度值L₂(λ_j)，直到m＝M时，将j＝1、2、.……、J时的λ_j代入上述公式获得第M个光谱辐亮度值L_M(λ_j)。

本发明的有益效果体现在以下三个方面:

(1)本发明采用高温黑体、白光光源、高压汞灯、脉冲开关组成了脉冲光源组件，利用高温黑体光谱辐亮度值的理论值,标定得到光栅光谱仪中面阵EMCCD像元列对应的光谱辐亮度修正系数；利用白光光源光谱辐亮度输出均匀的特点，标定得到光栅光谱仪中面阵EMCCD像元列对应的标准光谱辐亮度值；利用高压汞灯的特征波长标定得到光栅光谱仪中面阵EMCCD的像元列对应的波长值，从而解决了近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置的准确标定问题。。

(2)本发明在对被测脉冲光源校准时，被测光束通过光纤束阵列进入光谱仪狭缝，再通过平场凹面光栅色散后聚焦到面阵EMCCD的光敏面上并形成n行随波长变化的线光谱，计算机对面阵EMCCD的输出信号进行相应处理后获得被测脉冲光源的光谱辐亮度值。在处理过程中，每一波长处的背景信号或测试信号均为n行信号的求和信号，由此实现了近红外脉冲光源的微弱光谱辐亮度的测量。

(3)在本发明中，光栅光谱仪采用了平场凹面光栅，相比于平面闪耀光栅而言，平场凹面光栅集色散和聚焦功能于一体，因而使得光栅光谱仪省去了准直反射镜和聚焦反射镜，简化了光路，降低了由复杂光路反射带来的能量损失。同时由于平场凹面光栅具有像差校正功能，从而保证了色散光束成像的各行线光谱面的离焦量均为零，进而提高了本发明光谱辐亮度的测试精度。

附图说明

图1是本发明近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置组成示意图。

图2是本发明中光栅光谱仪的线光谱位置图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

如图1所示，本发明优选实施例包含光源组件1、含有耦合透镜2-1和阵列光纤束2-2的光纤组件2、光栅光谱仪3和装有光谱辐亮度校准数据处理软件包的计算机4。

光源组件1包含用于标定光栅光谱仪3的高温黑体1-1、白光光源1-2、高压汞灯1-3、脉冲开关1-5、一维移动平台1-6。高温黑体1-1选用全俄物理研究院研制的色温为2856K的黑体，其主要作用是根据其辐射的理论光谱辐亮度值，并采用常规的测试方法获得光栅光谱仪3中面阵EMCCD3-4像元列对应的光谱辐亮度修正系数。白光光源1-2采用美国Energetiq公司产品，型号为EQ-99CAL，该白光光源1-2由激光驱动，其光谱辐亮度输出均匀，其主要作用是采用常规的标定方法，获得光栅光谱仪3中面阵EMCCD3-4像元列对应的标准光谱辐亮度值。高压汞灯1-3选用上海亚明灯泡厂生产GGQ80型高压汞灯，其主要作用是采用常规的标定方法获得光栅光谱仪3中面阵EMCCD3-4的像元列对应的波长值。高温黑体1-1、白光光源1-2和高压汞灯1-3一字排列安装在一维移动平台1-6上且三者的发光面均位于同一个平面即标定面。当对近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置进行标定时，通过推动一维移动平台1-6使高温黑体1-1、白光光源1-2、高压汞灯1-3的发光面的中心逐个对准脉冲开关1-5的中心，而脉冲开关1-5的中心与光纤组件2中耦合透镜2-1的中心正对。在对被测脉冲光源1-4校准时，需将脉冲开关1-5移出光路，同时将被测脉冲光源1-4放置在一维移动平台1-6上，并使该脉冲光源1-4的发光面与标定面重合且发光面的中心对准耦合透镜2-1的中心。

在光纤组件2中，耦合透镜2-1为凸透镜，其通光口径为8mm，焦距为10mm。阵列光纤束2-2选用英国Andor Technology公司的SR-OPT-8002型产品。该阵列光纤束2-2的输入端为单根光纤，输出端含有19根按一字排列的光纤且输出端的长度为2.4mm,输出端处每根光纤的芯径为100μm，数值孔径为0.22。耦合透镜2-1通过光纤连接器与阵列光纤束2-2的输入端相连，本实施例中光纤连接器的型号为SMA905。阵列光纤束2-2输出端的光纤数量n的取值取决于光栅光谱仪3中狭缝3-2的长度，通常不低于10根。

光栅光谱仪3含滤光片3-1、狭缝3-2、平场凹面光栅3-3、面阵EMCCD3-4。滤光片3-1直径为10mm，厚度为2mm，材料为K9玻璃，表面镀制截止波长为560nm的光学膜层。狭缝3-2为美国National Aperture公司生产,其宽度为10μm，误差±1μm，长度为2.4mm。平场凹面光栅3-3通光口径为81.3133mm，入射光焦点与平场凹面光栅3-3中心的距离为165.0mm，入射光的数值孔径为0.22，波段范围为0.9μm～1.1μm,0.9μm时色散率为8.3586nm/mm，1.0μm时色散率为7.8797nm/mm，1.1μm时色散率为7.3103nm/mm。该光栅色散后聚焦并形成n行线光谱，所谓线光谱是指色散光束中离焦量为零的光谱面，每一行线光谱的宽度均为25.3830mm(参见图2)，线光谱中0.9μm波长的位置与平场凹面光栅中心的夹角及距离分别为11.0086°和175.0759mm，1.1μm波长的位置与该光栅中心的夹角及距离分别为18.6289°和183.7910mm。面阵EMCCD3-4为英国ANDOR Technology公司生产DU970P-BVF型EMCCD，工作在-100℃制冷的环境下，量子效率高达95％，面阵EMCCD的积分周期T为0.6ms，像元个数为200×1600个。在本实施例中，只采用了19×1587个像元，每个像元尺寸为16μm×16μm。狭缝3-2位于平场凹面光栅3-3的焦点上，面阵EMCCD3-4面向平场凹面光栅3-3的出射的色散光束一侧，其光敏面位于该色散光束的线光谱面上。

光源组件1其中一个光源发出的光束或辐射经脉冲开关1-5转换为脉冲光束且脉冲光束经耦合透镜2-1耦合到阵列光纤束2-2的输入端，或者被测脉冲光源1-4发出的脉冲光束直接经耦合透镜2-1耦合到阵列光纤束2-2的输入端，由阵列光纤束2-2输出端出射的一列光束照射到滤光片3-1上，经滤光后到达狭缝3-2，由狭缝3-2出射的光束入射到平场凹面光栅3-3上；光束经平场凹面光栅3-3色散后聚焦到面阵EMCCD3-4的光敏面上并形成19行线光谱，面阵EMCCD3-4将接收到的线光谱信号转换为电信号后送入计算机4。其中，平场凹面光栅3-3的刻线方向为垂直方向(参见图1)，阵列光纤束2-2和狭缝3-2长度相同且平行正对，平场凹面光栅3-3的刻线方向与阵列光纤束2-2和狭缝3-2的长度方向平行，同时与面阵EMCCD3-4的宽度方向一致。

计算机4带有存储器和数据采集卡且内置有光谱辐亮度校准数据处理软件包和标定软件包，存储器内置波长标定数据库、光谱辐亮度修正系数数据库、光谱辐亮度标定数据库和校准中所用的已知参数：其中，波长标定数据库为通过高压汞灯获得的面阵EMCCD像元列j所对应的波长λ_j数据表；光谱辐亮度修正系数数据库为通过高温黑体获得的面阵EMCCD像元列j对应的光谱辐亮度修正系数K(λ_j)数据表，光谱辐亮度标定数据库为通过白光光源获得的面阵EMCCD像元列j对应的标准光谱辐亮度L_CC(λ_j)数据表。

标定软件包为已有技术，其功能是当计算机4采集到以高温黑体1-1、白光光源1-2或高压汞灯1-3为输入光或辐射时的面阵EMCCD输出信号后，对上述信号进行相应的处理，而对应获得EMCCD像元列j所对应的波长λ_j数据表、面阵EMCCD像元列j对应的光谱辐亮度修正系数K(λ_j)数据表和面阵EMCCD像元列j对应的标准光谱辐亮度L_CC(λ_j)数据表，并以数据库的形式存入到计算机4的存储器中供对被测脉冲光源校准时调用。

光谱辐亮度校准数据处理软件包包括菜单模块、采集模块、计算模块。菜单模块的功能是在计算机显示器上显示一组功能按钮、光谱采集选择菜单、参数设置栏和显示窗口。功能按钮包括背景测试按钮、脉冲光源测试按钮、计算按钮。光谱采集选择菜单包括单光谱采集和多光谱采集两个选项；参数设置栏用于输入被测脉冲光源的脉宽参数τ，显示窗口用于显示背景电压测试曲线、被测脉冲光源的电压测试曲线以及光谱辐亮度曲线。

采集模块的功能是，在单光谱采集选项下,当接收到背景测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD一个积分周期输出的随像元列j变化的背景测试信号V_Bi(j)，调用波长标定数据库将背景测试信号V_Bi(j)转换为随波长λ_j变化的背景测试信号V_Bi(λ_j)，并在菜单模块的显示窗口中显示随波长λ_j变化的背景电压测试曲线；当接收到脉冲光源测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD一个积分周期输出的随像元列j变化的脉冲光源测试信号V_Ci(j)，并调用波长标定数据库将脉冲光源测试信号V_Ci(j)转换为随波长变化的脉冲光源测试信号V_Ci(λ_j)，并在菜单模块的显示窗口中显示随波长λ_j变化的脉冲光源电压测试曲线。其中：i＝1、2、.……、n,i表示面阵EMCCD中成像区域的像元行数,j表示面阵EMCCD中成像区域的像元列数,j＝1、2、.……、J。n取决于阵列光纤束输出的光纤数量，即各行成像与阵列光纤束中各光纤的输出光束一一对应；J取决于光线经平场凹面光栅3-3色散后聚焦在面阵EMCCD光敏面上的线光谱宽度以及面阵EMCCD的像元尺寸，面阵EMCCD的像元尺寸应大于平场凹面光栅3-3在波长范围上限时的分辨率，并小于平场凹面光栅在中心波长谱线的半宽度FWHM。在本实施例中，n＝19，J＝1587，平场凹面光栅在波长范围上限时的分辨率为0.0804μm，在中心波长谱线的半宽度FWHM为61.12μm。λ_j表示与像元列j所对应的波长值。由于面阵EMCCD中所用的像元列中1587个像元覆盖了平场凹面光栅色散的波长范围，各列与其前一列的波长差值为0.126nm，第一列对应的波长为900nm，第二列对应的波长为900nm+0.126nm，最后一列对应的波长为1100nm。

在多光谱采集选项下，当接收到背景测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD在τ时间内输出的M个随像元列j变化的背景测试信号V_Bim(j)，调用波长标定数据库将背景测试信号V_Bim(j)转换为随波长λ_j变化的背景测试信号V_Bim(λ_j)，并在菜单模块的显示窗口中逐条显示随波长λ_j变化的背景电压测试曲线；当接收到脉冲光源测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD在τ时间段内输出的M个随像元列j变化的脉冲光源测试信号V_Cim(j)，并调用波长标定数据库将脉冲光源测试信号V_Cim(j)转换为随波长λ_j变化的脉冲光源测试信号V_Cim(λ_j)，并在菜单模块的显示窗口中逐条显示随波长λ_j变化的脉冲光源电压测试曲线；其中：m＝1、2、……….M,m为EMCCD的积分周期数，M＝τ/T，T为面阵EMCCD的积分周期。

计算模块功能是：在单光谱采集选项下,当接收到计算按钮指令时，调用光谱辐亮度修正系数数据库和光谱辐亮度标定数据库，并根据以下一组公式计算被测脉冲光源的光谱辐亮度值L(λ_j)，并在菜单模块的显示窗口中显示被测脉冲光源随波长变化的光谱辐亮度曲线：

L(λ_j)＝k₀·K(λ_j)·[V_C(λ_j)-V_B(λ_j)]

$V_B\left({\mathrm{\λ}}_j\right)=\underset{i=1}{\overset{19}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{Bi}}\left({\mathrm{\λ}}_j\right)$

$V_C\left({\mathrm{\λ}}_j\right)=\underset{i=1}{\overset{19}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{Ci}}\left({\mathrm{\λ}}_j\right)$

k₀＝L_CC(λ_j)/L_CC0(λ_j)

K(λ_j)＝L_CBB(λ_j)/[V_CBB(λ_j)-V_B(λ_j)]

L_CC(λ_j)＝K(λ_j)·[V_CC(λ_j)-V_B(λ_j)]

式中，j＝1、2、.……、1587，L_CBB(λ_j)是高温黑体1-1在2856K色温下的理论光谱辐亮度值，L_CC(λ_j)为白光光源1-2的标准光谱辐亮度值，L_CC0为白光光源1-2出厂时的光谱辐亮度值；V_CBB(λ_j)是高温黑体1-1在2856K色温下的测试电压值，V_CC(λ_j)是白光光源1-2的测试电压值。上述五个参数均为已知值。

在多光谱采集选项下,当接收到计算按钮指令时，调用光谱辐亮度修正系数数据库、光谱辐亮度标定数据库，反复根据以下一组公式计算被测脉冲光源从第一周期数至第M周期数的光谱辐亮度值L_m(λ_j)，并在菜单模块的显示窗口中按周期数的顺序逐条显示被测脉冲光源随波长变化的光谱辐亮度曲线。

L_m(λ_j)＝k₀·K(λ_j)·[V_Cm(λ_j)-V_Bm(λ_j)]

$V_{\mathrm{Cm}}\left({\mathrm{\λ}}_j\right)=\underset{i=1}{\overset{19}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{Cim}}\left({\mathrm{\λ}}_j\right)$

$V_{\mathrm{Bm}}\left({\mathrm{\λ}}_j\right)=\underset{i=1}{\overset{19}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{Bim}}\left({\mathrm{\λ}}_j\right)$

k₀＝L_CC(λ_j)/L_CC0(λ_j)

K(λ_j)＝L_CBB(λ_j)/[V_CBB(λ_j)-V_B(λ_j)]

L_CC(λ_j)＝K(λ_j)·[V_CC(λ_j)-V_B(λ_j)]

采用上述一组公式的计算过程为：在m＝1时，将j＝1、2、.……、1587时的λ_j代入上述公式获得第一个光谱辐亮度值L₁(λ_j)，在m＝2时，将j＝1、2、.……、1587时的λ_j代入上述公式获得第二个光谱辐亮度值L₂(λ_j)，直到m＝M时，将j＝1、2、.……、1587时的λ_j代入上述公式获得第M个光谱辐亮度值L_M(λ_j)。

本实施例中近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置的使用方法如下：

1)将被测脉冲光源1-4放置在一维平台1-6上，将脉冲开关1-5移出光路，手动一维平台1-6将被测脉冲光源1-4移入光路并使其发光面的中心对准耦合透镜2-1的中心；打开面阵EMCCD3-4和计算机4的电源开关。

2)如果被测脉冲光源1-4的脉宽小于或等于本校准装置中面阵EMCCD的积分周期，则在计算机屏幕主页面上光谱采集选择菜单中选择单光谱采集选项；点击计算机屏幕主页面上背景测试按钮，背景光经过本校准装置中的耦合透镜、阵列光纤束、滤光片、狭缝、平场凹面光栅后，被面阵EMCCD接收后转换为电信号，并由计算机采集该信号后在菜单模块的显示窗口中显示随波长λ_j变化的背景电压测试曲线；点亮被测脉冲光源，待其稳定后，点击计算机屏幕主页面上脉冲光源测试按钮，被测脉冲光源发出的光经过本校准装置中的耦合透镜、阵列光纤束、滤光片、狭缝、平场凹面光栅后，被面阵EMCCD接收后转换为电信号，并由计算机采集该信号后显示随波长变化的被测脉冲光源电压测试曲线；点击计算机屏幕主页面上计算按钮，计算机显示被测脉冲光源的随波长变化的光谱辐亮度值曲线。

3)如果被测脉冲光源1-4的脉宽大于本校准装置的积分周期，则在计算机屏幕主页面上光谱采集选择菜单中选择多光谱采集选项；在菜单模块的参数设置栏中输入被测脉冲光源的脉宽参数τ；点击计算机屏幕主页面上背景测试按钮，背景光经过本校准装置中的耦合透镜、阵列光纤束、滤光片、狭缝、平场凹面光栅后，被面阵EMCCD接收后转换为电信号，并由计算机采集该信号后在菜单模块的显示窗口中按从第一周期数至第M周期数逐条显示随波长λ_j变化的背景电压测试曲线；点亮被测脉冲光源,待其稳定后，点击计算机屏幕主页面上脉冲光源测试按钮，被测脉冲光源发出的光经过本校准装置中的耦合透镜、阵列光纤束、滤光片、狭缝、平场凹面光栅后，被面阵EMCCD接收后转换为电信号，并由计算机采集该信号后按从第一周期数至第M周期数逐条接收后显示随波长变化的被测脉冲光源电压测试曲线；点击计算机屏幕主页面上计算按钮，并由计算机按第一周期数至第M周期数逐条显示被测脉冲光源的随波长变化的光谱辐亮度曲线。

Claims (2)

1.一种近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置，包括光源组件(1)，光栅光谱仪(3)，装有光谱辐亮度校准数据处理软件包的计算机(4)，其特征在于：还包括含有耦合透镜(2-1)和阵列光纤束(2-2)的光纤组件(2)，所述光栅光谱仪(3)含有滤光片(3-1)、狭缝(3-2)、平场凹面光栅(3-3)、面阵EMCCD(3-4)；所述光源组件(1)包含一维移动平台(1-6)，用于标定光栅光谱仪(3)的高温黑体(1-1)、白光光源(1-2)、高压汞灯(1-3)和脉冲开关(1-5)，高温黑体(1-1)、白光光源(1-2)和高压汞灯(1-3)一字排列安装在一维移动平台(1-6)上且三者的发光面均位于同一个平面即标定面；标定时，推动一维移动平台(1-6)使高温黑体(1-1)、白光光源(1-2)、高压汞灯(1-3)的发光面的中心逐个对准脉冲开关(1-5)的中心，脉冲开关(1-5)的中心与所述耦合透镜(2-1)的中心正对；

所述耦合透镜(2-1)为凸透镜，所述阵列光纤束(2-2)的输入端为单根光纤，输出端含有n根按一字排列的光纤,n≥10，n的取值取决于所述狭缝(3-2)的长度；耦合透镜(2-1)通过光纤连接器与阵列光纤束(2-2)的输入端相连；阵列光纤束(2-2)和狭缝(3-2)长度相同且平行正对，平场凹面光栅(3-3)的刻线方向与阵列光纤束(2-2)和狭缝(3-2)的长度方向平行，同时与面阵EMCCD(3-4)的宽度方向一致；

当对被测脉冲光源(1-4)校准时，将被测脉冲光源(1-4)放置在一维移动平台(1-6)上，其发光面与所述标定面重合且发光面的中心对准耦合透镜(2-1)的中心；被测脉冲光源(1-4)发出的脉冲光束经耦合透镜(2-1)耦合到阵列光纤束(2-2)的输入端，由阵列光纤束(2-2)输出端出射的一列光束照射到滤光片(3-1)上，经滤光后到达狭缝(3-2)，由狭缝(3-2)出射的光束入射到平场凹面光栅(3-3)上；光束经平场凹面光栅(3-3)色散后聚焦到面阵EMCCD(3-4)的光敏面上并形成n行线光谱，面阵EMCCD(3-4)将接收到的线光谱信号转换为电信号后送入计算机(4)；

计算机(4)带有存储器和数据采集卡且内置有光谱辐亮度校准数据处理软件包，存储器存有波长标定数据库、光谱辐亮度修正系数数据库、光谱辐亮度标定数据库和校准过程中所用的已知参数：其中，波长标定数据库为通过高压汞灯(1-3)获得的面阵EMCCD像元列j所对应的波长λ_j数据表；光谱辐亮度修正系数数据库为通过高温黑体(1-1)获得的面阵EMCCD像元列j所对应的光谱辐亮度修正系数K(λ_j)数据表，光谱辐亮度标定数据库为通过白光光源(1-2)获得的面阵EMCCD像元列j所对应的标准光谱辐亮度L_CC(λ_j)数据表；

光谱辐亮度校准数据处理软件包包括菜单模块、采集模块、计算模块：

所述菜单模块的功能是在计算机显示器上显示一组功能按钮、光谱采集选择菜单、参数设置栏和显示窗口；功能按钮包括背景测试按钮、脉冲光源测试按钮、计算按钮；光谱采集选择菜单包括单光谱采集和多光谱采集两个选项；参数设置栏用于输入被测脉冲光源的脉宽参数τ，显示窗口用于显示背景电压测试曲线、被测脉冲光源的电压测试曲线以及光谱辐亮度曲线；

所述采集模块的功能是，在单光谱采集选项下,当接收到背景测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD一个积分周期输出的随像元列j变化的背景测试信号V_Bi(j)，调用波长标定数据库将背景测试信号V_Bi(j)转换为随波长λ_j变化的背景电压测试信号V_Bi(λ_j)，并在菜单模块的显示窗口中显示随波长λ_j变化的背景电压测试曲线；当接收到脉冲光源测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD一个积分周期输出的随像元列j变化的脉冲光源测试信号V_Ci(j)，并调用波长标定数据库将脉冲光源测试信号V_Ci(j)转换为随波长λ_j变化的脉冲光源测试信号V_Ci(λ_j)，并在菜单模块的显示窗口中显示随波长λ_j变化的脉冲光源电压测试曲线；其中：i＝1、2、.……、n,i表示面阵EMCCD中成像区域的像元行数,n取决于阵列光纤束(2-2)输出的光纤数量，即各行成像与阵列光纤束中各光纤的输出光束一一对应；j表示面阵EMCCD中成像区域的像元列数,j＝1、2、.……、J,J取决于光束经平场凹面光栅(3-3)色散后聚焦在面阵EMCCD光敏面上的线光谱宽度以及面阵EMCCD的像元尺寸，λ_j表示与像元列j所对应的波长值；在多光谱采集选项下，当接收到背景测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD在τ时间段内输出的M个随像元列j变化的背景测试信号V_Bim(j)，调用波长标定数据库将背景测试信号V_Bim(j)转换为随波长λ_j变化的背景测试信号V_Bim(λ_j)，并在菜单模块的显示窗口中逐条显示随波长λ_j变化的背景电压测试曲线；当接收到脉冲光源测试按钮指令时，通过数据采集卡采集面阵EMCCD在τ时间段内输出的M个随像元列j变化的脉冲光源测试信号V_Cim(j)，并调用波长标定数据库将脉冲光源测试信号V_Cim(j)转换为随波长λ_j变化的脉冲光源测试信号V_Cim(λ_j)，并在菜单模块的显示窗口中逐条显示随波长λ_j变化的脉冲光源电压测试曲线；其中：m＝1、2、……….M,m为面阵EMCCD的积分周期数，M＝τ/T，T为面阵EMCCD的积分周期；

计算模块功能是：在单光谱采集选项下,当接收到计算按钮指令时，调用光谱辐亮度修正系数数据库和光谱辐亮度标定数据库，根据以下一组公式计算被测脉冲光源的光谱辐亮度值L(λ_j)，并在菜单模块的显示窗口中显示被测脉冲光源随波长变化的光谱辐亮度曲线：

L(λ_j)＝k₀·K(λ_j)·[V_C(λ_j)-V_B(λ_j)]

$V_B\left({\mathrm{\λ}}_j\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{Bi}}\left({\mathrm{\λ}}_j\right)$

$V_C\left({\mathrm{\λ}}_j\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{Ci}}\left({\mathrm{\λ}}_j\right)$

k₀＝L_CC(λ_j)/L_CC0(λ_j)

K(λ_j)＝L_CBB(λ_j)/[V_CBB(λ_j)-V_B(λ_j)]

L_CC(λ_j)＝K(λ_j)·[V_CC(λ_j)-V_B(λ_j)]

式中，j＝1、2、.……、J，L_CBB(λ_j)是高温黑体在2856K色温下的理论光谱辐亮度值，L_CC(λ_j)为白光光源的标准光谱辐亮度值，L_CC0为白光光源出厂时的光谱辐亮度值，V_CBB(λ_j)是高温黑体在2856K色温下的测试电压值，V_CC(λ_j)是白光光源的测试电压值，上述五个参数均为已知值；在多光谱采集选项下,当接收到计算按钮指令时，调用光谱辐亮度修正系数数据库、光谱辐亮度标定数据库，反复根据以下一组公式计算被测脉冲光源从第一周期数至第M周期数的光谱辐亮度值L_m(λ_j)，并在菜单模块的显示窗口中按周期数的顺序逐条显示被测脉冲光源随波长变化的光谱辐亮度曲线；

L_m(λ_j)＝k₀·K(λ_j)·[V_Cm(λ_j)-V_Bm(λ_j)]

$V_{\mathrm{Cm}}\left({\mathrm{\λ}}_j\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{Cim}}\left({\mathrm{\λ}}_j\right)$

$V_{\mathrm{Bm}}\left({\mathrm{\λ}}_j\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{V}_{\mathrm{Bim}}\left({\mathrm{\λ}}_j\right)$

k₀＝L_CC(λ_j)/L_CC0(λ_j)

K(λ_j)＝L_CBB(λ_j)/[V_CBB(λ_j)-V_B(λ_j)]

L_CC(λ_j)＝K(λ_j)·[V_CC(λ_j)-V_B(λ_j)]

采用上述一组公式的计算过程为：在m＝1时，将j＝1、2、.……、J时的λ_j代入上述公式获得第一个光谱辐亮度值L₁(λ_j)，在m＝2时，将j＝1、2、.……、J时的λ_j代入上述公式获得第二个光谱辐亮度值L₂(λ_j)，直到m＝M时，将j＝1、2、.……、J时的λ_j代入上述公式获得第M个光谱辐亮度值L_M(λ_j)。

2.根据权利要求1所述的近红外微弱脉冲光谱辐亮度校准装置，其特征在于：所述平场凹面光栅(3-3)的波段范围为0.9μm～1.1μm,色散后光谱面的宽度为25.3830mm；所述狭缝(3-2)的宽度为10μm；所述面阵EMCCD(3-4)的像元尺寸为16μm×16μm，取n＝19，J＝1587，T＝0.6ms。